第10章 淀积01

1、第2章 微电子工艺基础 *1第10章 淀积10.1 淀积概述10.2 薄膜淀积10.3 物理气相淀积第2章 微电子工艺基础 *210.1 淀积概述 4种最基本的平面制造工艺掺杂工艺掺杂工艺热处理工艺热处理工艺光刻工艺光刻工艺 薄膜制备工艺薄膜制备工艺第2章 微电子工艺基础 *310.2 薄膜淀积薄膜薄膜 是指在衬底上生长的薄固体物质 薄膜的表面距离衬底很近，所以它对薄膜物质的物理、机械、化学、电学等特性有重要影响。 一般单位为埃第2章 微电子工艺基础 *410.2 薄膜淀积固态薄膜Silicon substrateOxide宽长厚与衬底相比薄膜非常薄第2章 微电子工艺基础 *510.1 淀积概

2、述薄膜的构成 有些是器件的一部分 有些将被后续工艺去掉 各种不同类型的薄膜淀积到硅片上，在某些情况下，这些薄膜成为器件结构中的一个完整部分，另外一些薄膜则充当了工艺过程中的牺牲品，并且在后续的工艺中被去掉。第2章 微电子工艺基础 *610.1 淀积概述 薄膜制备薄膜制备 是在晶体表面形成薄膜的加工工艺。 MOS晶体管的剖面图 钝化层(Si3N4、Al2O3) 金属膜(Al) 氧化层(SiO2)淀积钝化层淀积金属膜生长氧化层NNP第2章 微电子工艺基础 *710.1 淀积概述 制备薄膜的材料有： 半导体材料（Si、GaAs等） 金属材料（Au、Al等） 无机绝缘材料（SiO2 、Si3N4 、A

3、l2O3 等）半绝缘材料（多晶硅、非晶硅等）第2章 微电子工艺基础 *810.2 薄膜淀积薄膜淀积的作用薄膜淀积的作用 薄膜淀积是芯片加工过程中一个至关重要的工艺步骤，通过淀积工艺可以在硅片上生长导各种导电薄膜层和绝缘薄膜层。第2章 微电子工艺基础 *910.1 淀积概述 直接法直接法-使淀积源直接转移到衬底上形成薄膜,如蒸发工艺、蒸发工艺、溅射溅射等. 间接法间接法-制备薄膜所需的原子或分子，由含其组元的化合物，通过氧化、还原、热分解等反应而得到。增层的制程生长法淀积法氧化工艺化学气相淀积工艺氮化硅工艺蒸发工艺溅射第2章 微电子工艺基础 *1010.1 淀积概述 薄膜分类薄膜分类/工艺与材料

4、的对照表工艺与材料的对照表层别热氧化工艺化学气相淀积工艺蒸发工艺溅射工艺绝缘层二氧化硅二氧化硅氮化硅二氧化硅一氧化硅半导体层外延单晶硅 多晶硅导体层铝铝硅合金/铝铜合金镍铬铁合金黄金钨 钛 钼铝硅合金/铝铜合金第2章 微电子工艺基础 *1110.1 淀积概述 MSI时代时代nMOS晶体管的各层膜晶体管的各层膜p+ silicon substratep- epi layer场氧化层n+n+p+p+n-wellILD氧化硅垫氧化层氧化硅氮化硅顶层栅氧化层侧墙氧化层金属前氧化层Poly金属多晶金属第2章 微电子工艺基础 *1210.1 淀积概述 从MSI到LSI时代，芯片的设计和加工相对较为直接，上

5、图给出了制作一个早期nMOS所需的淀积层。图中器件的特征尺寸远大于1m。 第2章 微电子工艺基础 *1310.1 淀积概述 淀积的难度（1）同一层内平坦问题，由于特征高度的变化，硅片上各层并不平坦，这将成为VLSI时代所需的多层金属高密度芯片制造的限制因素。第2章 微电子工艺基础 *1410.1 淀积概述 （2）层间的可靠性 随着特征尺寸越来越小，在当今的高级微芯片加工过程中，需要6层甚至更多的金属来做连接，各金属之间的绝缘就显得非常重要，所以，在芯片制造过程中，淀积可靠的薄膜材料至关重要。薄膜制备是硅片加工中的一个重要工艺步骤。第2章 微电子工艺基础 *1510.1 淀积概述 ULSI多层金

6、属化多层金属化 金属层：铝合金转换到铜金属，以增加芯片速度并减少工艺步骤 每层金属定义为Metal-1,Metal-2 金属层之间的连接靠层与层之间的通孔来保证钝化层压点金属p+ Silicon substrateViaILD-2ILD-3ILD-4ILD-5M-1M-2M-3 M-4p- Epitaxial layerp+ILD-6LI oxideSTIn-wellp-wellILD-1Poly gaten+p+p+n+n+LI metal第2章 微电子工艺基础 *1610.1 淀积概述 关键层：线条宽度被刻蚀为器件特征尺寸的金属层。 关键层对颗粒杂质很敏感。 非关键层：通常指处于上部的金属

7、层，有更大的线宽，对颗粒污染不够敏感，但是其尺寸会影响芯片的速度和功耗第2章 微电子工艺基础 *1710.1 淀积概述 介质层：介于有源器件和金属之间的电绝缘层 层间介质（ILD）充当两层导电金属或相邻金属线之间的隔离膜钝化层压点金属p+ Silicon substrateViaILD-2ILD-3ILD-4ILD-5M-1M-2M-3 M-4p- Epitaxial layerp+ILD-6LI oxideSTIn-wellp-wellILD-1Poly gaten+p+p+n+n+LI metal第2章 微电子工艺基础 *1810.1 淀积概述 介于有源器件和第一层金属之间的电绝缘层称为第

8、一层层间介质（Interlayer dielectric,ILD-1） 第一层层间介质又称为金属前绝缘层（PMD），一般为二氧化硅或玻璃。 其作用为： 1. 电学上，可以隔离晶体管器件和互连金属层 2. 物理上，隔离晶体管器件和可移动粒子等杂质源第2章 微电子工艺基础 *1910.1 淀积概述 芯片中的金属层芯片中的金属层第2章 微电子工艺基础 *2010.2 薄膜淀积薄膜特性薄膜特性 好的台阶覆盖能力 填充高的深宽比间隙的能力 好的厚度均匀性 高纯度和高密度：避免玷污 受控制的化学剂量：膜的各部分成份可控 高度的结构完整性和低的膜应力：晶粒尺寸的变化 好的电学特性 对衬底材料或下层膜好的黏附

9、性：避免开裂第2章 微电子工艺基础 *2110.2 薄膜淀积 膜对台阶的覆盖膜对台阶的覆盖 期望膜在硅片表面上厚度一致，但由于硅片表面台阶的存在，如果淀积的膜在台阶上过渡的变薄，就容易导致高的膜应力、电短路或在器件中产生不希望的诱生电荷。应力还可能导致衬底发生凸起或凹陷的变形。共形台阶覆盖非共形台阶覆盖均匀厚度第2章 微电子工艺基础 *2210.2 薄膜淀积 高的深宽比间隙高的深宽比间隙 可以用深宽比来描述一个小间隙（如槽或孔），深宽比定义为间隙的深度和宽度的比值(见下图)。要求填充能够均匀，无空洞。深宽比 = 深度 宽度=2 1深宽比 = 500 250 500 D250 W第2章 微电子工

10、艺基础 *2310.2 薄膜淀积高深宽比第2章 微电子工艺基础 *2410.2 薄膜淀积薄膜生长过程三大步骤：1. 成核 2. 岛生长 3. 成膜连续的膜气体分子成核凝聚Substrate第2章 微电子工艺基础 *2510.2 薄膜淀积 膜淀积技术第2章 微电子工艺基础10.2 薄膜淀积 绝缘层 化学气相淀积 外延生长 旋涂绝缘介质 金属层 化学气相淀积 溅射 电镀 蒸发 *26第2章 微电子工艺基础 *2710.3 物理气相淀积 物理气相沉积物理气相沉积(PVD: Physical Vapor (PVD: Physical Vapor Deposition)Deposition) 指的是利用

11、某些物理的过程，如物质的热蒸发或在受到粒子束轰击时表面原子的溅射等现象，实现物质从源物质到薄膜物质的可控的原子转移过程。第2章 微电子工艺基础 *2810.3 物理气相淀积 这种薄膜制备方法相对于化学气相沉积这种薄膜制备方法相对于化学气相沉积方法而言，具有以下几个特点方法而言，具有以下几个特点 -要使用固态的或者融化态的物质作为要使用固态的或者融化态的物质作为沉积过程的源物质；沉积过程的源物质； -源物质要经过物理过程进入气相源物质要经过物理过程进入气相; -需要相对较低的气体压力环境需要相对较低的气体压力环境; -在气相中及衬底表面不发生化学反应。在气相中及衬底表面不发生化学反应。第2章 微

12、电子工艺基础 *2910.3 物理气相淀积 物理气相沉积中最为基本的方法就是蒸发法和溅射法。 在薄膜沉积技术发展的最初阶段，蒸发法相对于溅射法具有一些明显的优点： 较高的沉积速度 相对较高的真空度 以及由此导致的较高的薄膜质量等 因此蒸发法最初受到了相对较大的重视。第2章 微电子工艺基础 *3010.3 物理气相淀积 蒸发的缺点： 薄膜与衬底的黏附力小 工艺可重复性差 台阶覆盖能力差第2章 微电子工艺基础 *3110.3 物理气相淀积 溅射法的一些优势：在沉积多元合金薄膜时化学成分容易控制沉积层对于衬底的附着力较好等现代技术对于合金薄膜材料的需求也促进了各种高速溅射方法以及高纯靶材高纯气体制备

13、技术的发展 这些都使溅射法制备的薄膜的质量得到了很大的改善。第2章 微电子工艺基础 *3210.3 物理气相淀积真空蒸发原理 升华与蒸发：当材料温度低于熔化温度时，产生蒸汽的过程称为升华。而熔化时产生蒸汽的过程称为蒸发。 真空蒸发：利用蒸发材料在高温时所具有的饱和蒸汽压进行薄膜制备第2章 微电子工艺基础简单的蒸发装置简单的蒸发装置机械泵高真空阀高真空泵工艺腔(钟罩)坩锅蒸发金属载片盘第2章 微电子工艺基础 *3410.3 物理气相淀积 在蒸发沉积装置中，最重要的是蒸发源，根据其加热原理可以分为以下几种: 电阻式加热 电子束加热装置 激光蒸发镀膜( ablation)装置装置第2章 微电子工艺基

14、础 *3510.3 物理气相淀积 电阻式加热 这是应用的较多的一种蒸发加热方法。对于电阻材料的要求 耐高温 高温下蒸汽压低 不与被蒸发物发生化学反应 无放气现象和其它污染 合适的电阻率 所以一般是难熔金属 W、Mo和Ta等 另外对加热体坩埚主要采用耐高温的陶瓷材料第2章 微电子工艺基础 *3610.3 物理气相淀积 将钨丝绕制成各种直径或不等直径的螺旋状即可作为加热源。 钨丝一方面起到加热器的作用，另一方面也起到支撑被加热物质的作用。第2章 微电子工艺基础 *3710.3 物理气相淀积 电阻加热方法的局限性坩埚或其它加热体以及支撑部件可能的污染电阻加热法的加热功率或温度也受到一定的限制。 而电

15、子束蒸发正好克服了电阻加热方法的上述不足，因而成为蒸发法高速沉积高纯物质薄膜的主要的加热手段。第2章 微电子工艺基础 *3810.3 物理气相淀积 电子束加热装置 在电子束加热装置中，被加热的物质被放置在水冷的坩埚中，电子束只轰击到其中很小的一部分，而其余的大部分在坩埚的冷却作用下仍处于很低的温度，即它实际上成了蒸发物质的坩埚材料。 因此电子束蒸发可以做到避免坩埚材料的污染。在同一蒸发沉积装置中可以安置多个坩埚，这使得可以同时或分别对多种不同材料进行蒸发。第2章 微电子工艺基础 *3910.3 物理气相淀积 如图，由加热的灯丝发射出的电子束受到数千伏的偏置电场的加速，并经过横向部置的磁场线圈偏

16、转270度后到达被轰击的坩埚处，这样的部置可以避免灯丝材料对于沉积过程可能造成的污染。电子束蒸发的缺点是电子束能量的绝大部分被坩埚的水冷系统带走，因而热效率低第2章 微电子工艺基础 *4010.3 物理气相淀积 激光蒸发镀膜 使用高功率的激光束作为能量进行薄膜的蒸发沉积的方法叫激光沉积法。 这种方法也具有加热温度高、可避免坩埚污染、材料的蒸发速率高、蒸发过程容易控制等特点。同时由于在蒸发过程中，高能激光光子将能量直接传给被蒸发的原子，因而激光蒸发法的粒子能量一般显著高于其它的蒸发方法。第2章 微电子工艺基础 *4110.3 物理气相淀积 在激光加热方法中，需要采用特殊的窗口材料将激光束引入真空

17、室中，并要使用透镜或凹面镜等将激光束聚焦至被蒸发材料上。针对不同波长的激光束，需要选用不同光谱透过特性的窗口和透镜材料。 一般来说，采用的激光源是二氧化碳激光器，其工作波长为10.6微米，很多介质和半导体材料的吸收率都很高。第2章 微电子工艺基础 *4210.3 物理气相淀积 溅射溅射 溅射是物理气相淀积形式之一，主要是一个物理过程，而非化学过程。 在溅射过程中，高能粒子在撞击具有高纯度的靶材料固体平板，按物理过程撞击出原子。这些被撞击出的原子穿过真空，最后淀积在硅片上。第2章 微电子工艺基础 *4310.3 物理气相淀积溅射的优点是：1.具有淀积并保持复杂合金原组分的能力；2.能够淀积高温熔

18、化和难熔金属；3.能够在直径为200 mm 或更大的硅片上控制淀积均匀薄膜；4.具有多腔集成设备，能够在淀积金属前清除硅片表面沾污和本身的氧化层 (被称为原位溅射刻蚀)。第2章 微电子工艺基础 *4410.3 物理气相淀积基本溅射步骤基本溅射步骤 在高真空腔等离子体中产生正氩离子，并向具有负电势的靶材料加速； 在加速过程中获得动量，并轰击靶； 离子通过物理过程从靶上撞击出（溅射）原子，靶具有想要的材料组分； 被撞击出（溅射）的原子迁移到硅片表面； 被溅射的原子在硅片表面凝聚形成薄膜，与靶材料相比，薄膜具有与它基本相同的材料组分； 额外材料由真空泵抽走。第2章 微电子工艺基础 *4510.3 物

19、理气相淀积 简单平行金属板直流二极管溅射系统简单平行金属板直流二极管溅射系统尾气e-e-e-DC 直流二极管溅射装置衬底 1) 电场产生 Ar+ 离子 2) 高能Ar+ 离子和 金属靶撞击 3) 将金属原子 从 靶中撞击阳极(+)阴极 (-)氩原子电场金属靶等离子体 5) 金属淀积在衬底上 6) 用真空泵将多余 物质从腔中抽走4) 金属原子向衬底迁移.进气第2章 微电子工艺基础 *4610.3 物理气相淀积 溅射过程中从靶的表面撞出金属原子溅射过程中从靶的表面撞出金属原子+0高能 Ar+ 离子被溅射的金属原子金属原子阴极(-)弹回的氩离子和自由电子复合形成中性原子第2章 微电子工艺基础 *47

20、10.3 物理气相淀积溅射的效率取决于： 轰击离子的入射角 靶材料的组分和它的几何因素 轰击离子的质量1. 轰击离子的能量第2章 微电子工艺基础 *4810.3 物理气相淀积 除了被溅射的原子被轰击外，还有其它核素淀积在衬底上（见下图）。阳极(+)阴极 (-)电场金属靶等离子体辉光产生的光子被溅射的原子Substrate高能原子中子包含杂质的阴离子轰击靶产生的X-射线阴离子e-第2章 微电子工艺基础 *4910.3 物理气相淀积 这些核素给衬底加热（使温度达到350），引起薄膜淀积不均匀。比如在铝的淀积过程中，高温也可能产生不需要的铝氧化，这反而妨碍了溅射过程。 另外如果这些核素（杂质原子）掺

21、杂进正在衬底上生长的薄膜，这将引起薄膜的质量问题。第2章 微电子工艺基础 *5010.3 物理气相淀积 以上介绍的溅射系统是一个简单的直流二极管系统，它不能用于溅射介质，因为电极被介质覆盖，同样也不能用于溅射刻蚀。下面介绍三类溅射系统： 磁控常用 准直溅射 IMP (离子化的金属等离子体）-发展趋势第2章 微电子工艺基础 *5110.3 物理气相淀积磁控溅射磁控溅射 磁控溅射系统是在靶的周围和后面装置了磁体以俘获并限制电子于靶的前面。 这种设置增加了离子在靶上的轰击率，产生更多的二次电子，进而增加等离子体中电离的速率。其结果是更多的离子引起对靶更多的溅射，因此增加了系统的淀积速率。DC 电源被加热的硅片吸盘磁铁氩气入口真空泵 靶 阴极第2章 微电子工艺基础 *5210.3 物理气相淀积DC 电源被加热的硅片吸盘磁铁氩气入口真空泵 靶 阴极第2章 微电子工艺基础 *5310.3 物理气相淀积磁控溅射要求磁控溅射要求 磁控溅射设计需要有一个能量（大约从3KW20KW），供应给氩等离子体，以便取得最大的溅射速率。由于靶吸收了这些能量中的大多数，并且靶与阴极接触，因此阴极的冷却是必须的 溅射淀积大面积硅片其均匀性较差。为了取得高溅射速率和膜的均